В физике твердого тела энергетическая щель или запрещенная зона — это диапазон энергий в твердом теле , в котором не существует электронных состояний, т. е. диапазон энергий, в котором плотность состояний обращается в нуль.
Особенно в физике конденсированных сред энергетическую щель часто называют более абстрактно спектральной щелью , термином, который не обязательно должен быть специфическим для электронов или твердых тел.
Если в зонной структуре материала существует энергетическая щель , она называется запрещенной зоной . Физические свойства полупроводников в значительной степени определяются их запрещенными зонами, но также для изоляторов и металлов зонная структура — и, следовательно, любые возможные запрещенные зоны — определяют их электронные свойства. [1] [2]
Для сверхпроводников энергетическая щель представляет собой область подавленной плотности состояний около энергии Ферми , причем размер энергетической щели намного меньше энергетического масштаба зонной структуры. Сверхпроводящая энергетическая щель является ключевым аспектом в теоретическом описании сверхпроводимости и, таким образом, занимает видное место в теории БКШ . Здесь размер энергетической щели указывает на выигрыш в энергии для двух электронов при образовании куперовской пары . [1] [2] [3] Если обычный сверхпроводящий материал охлаждается из своего металлического состояния (при более высоких температурах) в сверхпроводящее состояние, то сверхпроводящая энергетическая щель отсутствует выше критической температуры , она начинает открываться при входе в сверхпроводящее состояние при и увеличивается при дальнейшем охлаждении. Теория БКШ предсказывает, что размер сверхпроводящей энергетической щели для обычных сверхпроводников при нулевой температуре масштабируется с их критической температурой : [3] (с постоянной Больцмана ).
Если плотность состояний подавлена вблизи энергии Ферми, но не исчезает полностью, то это подавление называется псевдощелью . Псевдощели экспериментально наблюдаются в различных классах материалов; ярким примером являются купратные высокотемпературные сверхпроводники . [4]
Если плотность состояний исчезает в расширенном диапазоне энергий, то это называется жесткой щелью. Если же вместо этого плотность состояний точно исчезает только для одного значения энергии (при этом подавляясь, но не исчезая для близких значений энергии), то это называется мягкой щелью. Прототипическим примером мягкой щели является кулоновская щель , которая существует в локализованных электронных состояниях с кулоновским взаимодействием. [5]
